实验指导书模版

1、实验指导书模版-副本有限元分析实验指导书机电工程学院材料教研室有限元分析实验指导书课程编号：（先留空白，学校将出台课程编码规范）课程名称：有限元分析周数/学分：8/先修课程:高等数学、线性代数、材料力学、理论力学适用专业:材料成型与控制工程开课教研室：材料教研室目录一、熟悉ANSYS软件环境二、杆件结构有限元分析三、平面应力问题有限元分析一、平面应变问题有限元分析 五、轴对称结构的有限元分析六、立体问题的有限元分析七、板壳问题的有限元分析八、传热问题的有限元分析实验1熟悉ANSYS软件环境一、实验目的：学生自己上机，熟悉ANSYS软件菜单、窗口等环境、软件分析功能并对简单的零件进行建模，掌握软

2、件的使用方法。图1”建立轴承座模型二、主要仪器及耗材装有Ansys软件的微机一台三、实验内容与步骤1> ANSYS界面介绍ANSYS软件功能非常强大，应用范围很广，并具有友好的图形用户界面(GUI)和优秀和程序架 构。基于Motif标注的GUI主要由主窗口和输出 窗口组成。随着版本的不断升级，ANSYS界面不 断改进，不同版本间的界面存在着较大差别。下 面介绍ANSYS12. 0的用户界面。(1)主窗口ANSYS12. 0的主窗口主要由以下5个部分组成。Utility 菜单这些菜单主要通过ANSYS的相关功能组件起作 用，比如文件控制、参数选择、图像参数控制及 参数输入等。Input L

3、ine （Input Window 命令输入窗口） 命令输入窗口(也称为命令栏)用于显示程序的 提示信息并允许用户直接输入命令，简化分析过 程。工具栏(Toolbar)工具栏主要由按钮组成，这些按钮都是ANSYS中 的常用命令。用户可以根据工作类型定义自己的 工具栏以提高分析效率。主菜单(Main Menu)主菜单包括了 ANSYS最主要的功能，分为前处理器(Preprocessor) 求解器(Solution)、通用 后处理嘉(General Postprocessor)>设计优化 器(Design Optimizer)。展开主菜单可以看到 非常多的树状建模命令，这也是ANSYS10.

4、 0版本 和以前版本的一个显著差别。虽然菜单的外观改 变了，但是菜单结构没有变化，这对ANSYS用户 平滑升级非常有利。图形窗口(Graphic Windows)图形窗口用于显示分析过程的图形，实现图形的 选取。在这里可以看到实体建模各个过程的图形 并可查看随后分析的结果。(2)输出窗口 (Output Windows)输出窗口用于显示程序的文本信息，即以简单表 格形式显示过程数据等信息。通常，输出窗口被 主窗口遮盖，当然，如果需要随时可以将输出窗 口拖到前面。注意: 应该在ANSYS分析的各个步骤中随时查看输出 窗口中的信息，检验分析过程是否正确，以便及 时调整。通过GUI可以方便地交互式访

5、问程序的各种功 能、命令、用户手册和参考材料，一步步地完成 整个分析,很好地体现出ANSYS的易用性。同时, ANSYS软件也提供了完整的在线说明和帮助文 件，以协助有经验的用户进行高级应用。在用户界面中，ANSYS软件提供了 4种通用的命令输入方式：菜单、对话框、工具栏和直接输入 命令。2、ANSYS分析过程一个典型的ANSYS分析过程包含3个主要步骤, 每个主要步骤及其子步骤如下：建立有限元模型在ANSYS中建立有限元模型的过程大致可分为 以下3个主要步骤: 建立或导入几何模型 定义材料属性划分网格建立有限元模型 施加载荷并求解 在ANSYS中施加载荷及求解的过程大致可以分 为以下3个主要

6、步骤：定义约束 施加载荷 设置分析选项并求解查看分析结果在ANSYS中查看分析结果的过程大致可以分为 以下2个主要步骤: 查看分析结果检验分析结果（验证结果是否正确）3、ANSYS的几何建模ANSYS软件的前处理模块具有比较强的几何建 模功能。通过介绍用ANSYS软件的几何建模功 能建立如图1-1所示的轴承座来学习基本的几 何建模操作。由于轴承座具有对称性，先建立 分之一模型，再用镜像的方法得到整个几何模 型。启动ANSYS软件之后，图形显示窗口默认的背 景颜色是黑色，建议把背景颜色修改成 白色。选择 Utility Menu > PlotCtrls > Styles > C

7、olors > Reverse Video,如图 1-2 所 示，把背景颜色改为白色，这时在ReverseVideo之前出现一个符号“Reverse Video对背景进行了反色操作，是一个两选菜单项，重新再选择一次就把背景 色改回黑色。在 Utility Menu > PlotCtrls 菜 单下面列出了全部控制图形显示方式的菜单项, 之后面会逐步介绍。在相关操作之前，在主菜单 中选择Preprocessor进入ANSYS软件的前处理模块。Plc tCtrLs VorkElanc Par «nctexs Macro UenuCtxls HelpPan Zoom Rotat

8、eView SettirsrlNumber 5 ngSynb&ls .StyleHidden Line Options . Si ze and ShweFoM Controls>Edge OptionsII AJUAIU UI.Erase Options»Contours'Grqhs>Alli (Illt-H»AnnotationColorsbCreate Col ar Fflap .Load Colour Map .Light Source Device Options .Save Color Map .Redirect Plots>Ba

9、nded Contour M第Hard Copy>Texturing.Default Color NapPlCyl uEackgroimd>5 Reverse Vile。k 1QX ULx IS Restore Hot Ctrls .Multilogsd Optioxxz>Nrimtered I ten Colors .Flouting Point Forant .Reset Pict CtrlsPicked Entity Colors .Capture Image .Restore Image .HizpIduOAQGt ScolirtgVector Arrot Scali

10、咤 .Entity Col»rs .Compoxienl Colors .BC Colors .Writft FUgfilQSh«ll.Graph Colors .Solid Model, Facets .Multi-Plot Controls .Window Colors Mui it-Yindow Layout .Symmetry Expaxis ion>Contour ColorsBanded Contour Colors .Best Quality Image>StatusReset Colors图1-2修改背景颜色的菜单项 -）创建带圆孔基座的二分之一

11、几何模型 先创建一个立方体，在对应通孔的位置上再创建 两个与通孔体积相同的圆柱体。然后进 行布尔操作，从立方体中减去两个圆柱体得到带 有两个圆形通孔的基座。1）生成长方体与建立几何模型相关的菜单函数在Main Menu > Preprocessor > Modeling 菜单项下面列出，如图 1-3 所示。Preprocessor > Modeling 菜单项下面有包括一些子菜单项，根据功能菜单 函数组成不同的子菜单项，主要的有： Create,包括创建几何元素的菜单函数； Operate,包括进行几何元素布尔操作的菜单函 数；Move/Modify,包括移动、修改几何元素的

12、菜单 函数；Copy,包括复制几何元素的菜单函数；Delete,包括删除几何元素的菜单函数。郦YS Msn Menu1PreferencesB Preprocessor 0Type国 Seal Coilstants S lateri al Props 0 Seeti«iLS lodeliitc国 Create E Operate 田/ lodi Er S Copy 0 K«flect (±1 Cke ck G- E Delete E Cyclic Sector 图 Genl, plane strn 用 Up date Ge obi图1-3几何建模菜单项输入坐标值创

13、建立方体，在Create菜单项下面 选择：Main Menu > Preprocessor > Create > Volumes > Block > By Dimensions,显示输入坐标值的对 话框，如图1-4所示。把Y方向作为高度方向, 输入 xl=0, x2=3, yl=0, y2=l, zl=0, z2=3。在默认的直角坐标系中创建了 一个棱边平行于 坐标轴的立方体，其中的一个顶点在坐标 原点上，x方向（屏幕的水平方向）长度为3,y方向（屏幕的垂直方向）长度为Lz方向（垂 直于屏幕方向）的长度为3,立方体位于坐标轴的正半轴区域中。在这里要注意，默认直角坐

14、标 系的方向，默认的工作平面是与默认直角坐标系重合的，在后续操作中要移动工作平面的位置方 向。在ANSYS软件中不设定长度单位，用户自 己选择合适的长度单位。通过操作在图形显示窗 口右侧的视图操作工具条可以变换视图来显示 立方块。S Frof «roccs Frcproc«2s0r田 Ileeent TypoE)区。al Constants回2rial PropsE SectionzBQ CreateB田 LintsB Am V.luesE Arbi tr&ry >lock不 Bjr 2 Corner5 4By Centr. Coxnr.S ly Biaeas

15、i obsE CyliadexE) TrixBE SphereE ConeS Torws由 V«des图-4输入坐标值创建立方体的菜单函数和 对话框2）建立与孔的体积相同的圆柱体采用输入半径和高度的方法，在通孔所在的位置创建圆柱体。由于圆柱体的中心位置与 面的Z轴重合，需要平移并旋转工作平面。工作平面的原点重合,柱体的对称轴与工作平选择 Utility Menu > WorkPlane > Offset WP by Increments,显示出“Offset WP” 对话框。在 对话框中的“X,Y,Z Offsets”编辑框输入坐标 原点的沿三个坐标轴的偏移量2. 25,

16、1. 25, 0. 75（用逗号分割），点击“Apply”按钮。把工作平 面相对默认直角坐标系做了平行偏移在“XY, YZ, ZX Angles”编辑框输入绕工作平面Z、X 和Y坐标轴转动的角度0, -90,点击“0K”按钮。即绕Z轴旋转0度，绕X轴旋转-90度, 绕Y轴旋转0度，不输入最后一项数值,ANSYS 软件自动把它当作零值来处理。在这里要注意绕 坐标轴转动角度的正负值的含义。ANSYS软件中 的坐标轴方向是服从右手法则的，绕X轴转动-90度表示从Z轴正向转向Y轴正向。选择 Main Menu > Preprocessor > Create > Volumes >

17、; Cylinder > Solid Cylinder, 在图 1-5所示的对话框中输入半径和高度创建实心圆 柱体。在对话框中输入以下参数：WP X=0, WP Y=0, Radius=0. 75/2 （或 0.375）,Depth=-1. 5,点击0K。得到沿Z轴负方向的圆柱体（这样做使得圆柱体与立方体相 交）。复制生成另一个柱体。选择Main Menu >RadiusFZDPickUnpickGlobalDepthApplyCancelHelpSolid CylinderPreprocessor > Modeling > Copy > Volumes, 在虚示

18、图1-6的"Copy Volumes”选择框后，Q Proy xnor (2 口 0ct Typt£ atoml fropsE 加liti。E Create O Keypoials Lig A* caa 臼Q) Arbitrary 田 Blek Q Cylini«r衣 Solid Cylinder Hollo* Cfl>nder Far tial CylioderRDy Rnd Pts a Z S By Biaen&ion P* E) Spk«r< Q) C«»e O T«r»s E) 因 El

19、«B«AtS 目 C*Bt>el F*ir 田 Fi>inc lodels O Tr mdncer %拾取圆柱体，点击“Apply”按钮，显示出如图1-7所示的复制体积元素的对话框。在图1-7所示对话框中的“DZ”选择框输入1. 5 （沿整体坐标系Z轴正向移动），然后点击“0K”按钮。在图1-6中可以看到整体坐标系的坐标架和工作面 坐标系的坐标架，以及创建的立方体和实心圆柱体。图-5创建实体圆柱的对话框7YPE KUHrar.,B Treproeessor E Elcaeut Tpc 国 Ce&xt<m<s 倒 laterial Frojiy

20、 E Sections lodelis目 CrAtA S Operate love / edi。 日 Copy/ CaTpointc 因 Lines 力 Areas Vol1»«s 7 I.i np IpH rea lesli (D Kodws 田 Reflect 口 Check Gc«a 囹Dc】,QeG1 Cycli c Sector B Gcxil ploBe six A © UpdNd G“.国 l«chtneE Checkixic Ctrl, B Ixuikerixi Ctxls E Archive l»d«JL

21、出 Cenpline： f<n -si，：一«】二«?. ij图1-6复制体积元素的选择框图-7复制体积元素的对话框3）从长方体中减去两个圆柱体生成通孔接下来对创建出来的三个体积元素进行布尔操 作，选择体积元素相减的操作,Main Menu > Preprocessor > Operate > Booleans > Subtract > Volumes。在显示第一个选择对话框后，首先拾取被减的长方体，点击“Apply”。在显示第二个选择对话框后，拾取准备减去的两个圆柱体，点击“0K”按钮。得到如 图8所示的带两个通孔的基座。图1-8带通孔

22、的基座 在创建通孔的时候，我们改变了工作平面的位置 和角度，在进行后续操作之前，使工作 平面与整体直角坐标系一致，选择:Utility Menu > WorkPlane > Align WP with > Global Cartesian。三）创建支撑的下半部分选择 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Block By 2 corners & Z, 定义XY平面上的两个角点和Z方向的深度， 创建支撑下半部分对应的立方体。在图1-9所示创建实体块的对话框中输入下列

23、 数值：WP X = 0, WP Y = 1, Width = 1.5,Height = 1.75, Depth = 0. 75,点击 “0K” 键。把原点坐标设在（0, 1, 0）的位置上，即基座 的上表面。得到如图1-10所示的基座与支撑部 分。 Preprocessor El»frnt Type3 Ke&l ConstuktsS Bateri al PropsE Secti onsEl Hodeli ng曰 CreateEl Keypoi nit sE Lines Areas S Voluaes ArbitraryB Bloch4 By 2 Comers & Z

24、By Centr# Cornr, Z国 Ey DiBenisi ons H Cylinder El PriEB 0 Sphere 田 C«ike 因 T«rus田 Bodes H EleBents IS Contact Pair EJ Piping Hodels E| Transducer s Operate love f Io di fy 田 Copy图Joi kFl <ne Pt£«neter a MacroMeuCtrls Help口臼】"Working EL皿。Show WP Status1YP Settings .1O£

25、;fs«t f(T by Iiicr«r4nts1OEfcot W toKeypoints +Align $ *ithHod.es +XX2 Locttiens Ch6g0 Ac t i v® CS toChenf® Ditpl叩 CS toGob&l Ori(inLocal Coordinate Sys ternsOrigin of Active CS1-9用角点和Z方向深度建立立方体的菜单 函数对话框图1-10基座与支撑图1-11将工作平面原点平移到关键点处的菜单 三）创建支架的上半部分 在支架上部创建一个四分之一实心圆柱作为支 架的上半部分

26、。1）偏移工作平面到支架的前表面，把工作平面 的原点定义在支架前表面的左上顶点。菜单如图1-11所示，选择Utility Menu > WorkPlane > Offset WP to > Keypoints +,把 工作平面平移，使其原点与选择的关键点重合， 保持坐标轴的方向不变。选择后显示选择关键 点的对话框，在刚创建的实体块的左上角拾取关 键点，点击对话框中的“0K”按钮。2）创建四分之一实心圆柱。选择 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Cylinder >

27、; Partial Cylinder +,创建部 分圆柱。选择后显示创建部分圆柱的对话框，输 入下列参数：WP X = 0, WP Y = 0； Rad-1 = 0, Theta-1 = 0；Rad-2 = L 5, Theta-2 = 90；Depth = -0. 75o参数Rad-1为内半径，创建实心圆柱时Rad-1 取零；参数Rad-2为外半径。参数Theta-1 为部分圆柱开始位置的中心角，从工作平面的X 轴位置算起，服从右手法则，逆时针方向 为正。参数Theta-2为部分圆柱结束位置的中 心角。参数Depth为圆柱高度，以沿Z轴正方 向为正值。由于工作平面被偏置到了支架的前表 面，参

28、数Depth在这里取一个负数。要注意，在这里并不是必须偏置工作平面。圆柱的中心轴平行于工作平面的Z轴。偏 置工作平面后，让圆柱对称轴与工作平面的Z 轴重合，不用再定义对称轴位置。如果不偏 置工作平面，直接修改圆柱对称轴的位置，同样 可以创建出支架的上半部分。在创建部分圆 柱的对话框中输入下列参数:WP X = 0, WP Y = 2. 75； Rad-1 = 0, Theta-1 = 0； Rad-2 = L 5, Theta-2 = 90；Depth = 0. 75o四）在支架上生成圆形阶梯孔。做法与创建基座时的方法类似，在圆孔位置处创建两个实心圆柱，再进行布尔运算。由于已经使工作平面的Z轴

29、与通孔的中心轴重合，所以不需要再偏置工作平面。1 g r 2 3 a n e 1 1 M i d - 1 n 1 1 择dell 图图选Mocy支架与实心圆柱带圆孔的支架Menu > Preprocessor -> > Create - Volumes >> Solid Cylinder +,在对话框中输入下列参数：WPX = O, WPY = O,Radius = 1, Depth = -0. 1875；点击按钮“Apply”，继续创建第二个实心圆柱。在新出现的对话框中输入下列参数：WP X = 0,WP Y = 0, Radius = 0. 85, Depth

30、 = -2；点击 按钮“OK”，关闭对话框。创建完成的基座与支架、为进行布尔操作准备的 两个实心圆柱在图1-12中给出。接下来，进行布尔运算，对体积元素进行“减法” 操作。1）选择布尔“减法”操作的被减对象。选择 Main Menu > Preprocessor > Modeling >Operate > Subtract > Volumes +拾取构成支架的两个体积元素,作为布尔“减法”操作的母体（被减对象）。单击按钮“Apply”,弹出选择对话框继续选择需要“减去” 的对象。2）拾取大圆柱作为“减去”的对象。单击对话框中的按钮“Apply”，将大圆柱减去, 继

31、续显示选择对话框，选择新的被减对象。3）重复步骤1）,选择构成中的两个体积元素, 单击按钮“Apply"，继续显示选择对话 框。4）拾取小圆柱体作为“减去”的对象。在对话框中，单击按钮“0K”，完成布尔运算, 同时关闭对话框。布尔“减法”运算完成后的带阶梯圆孔支架如图1-13所不。五）创建三角形的加强支架 先创建一个与支架下半部分的侧面平行的三角 形面，再用拖拉的方法创建出支板。为操作方便，先合并位置重合的关键点。选择,Main Menu > Preprocessor > Numbering Ctrls >Merge Items,显示如图1-14所示的项目合并 对话

32、框。将下拉框“Label”设置为“Keypoints”, 点击按钮“0K”。图1-14项目合并对话框1）在底座的上部前面边缘线的中点位置建立一个关键点。选择，Main Menu > Preprocessor > ModelingCreate > Keypoints > KP between KPs +,在两个现存关键点之间创建一个新的关键点。显示 关键点选择对话框，拾取如图1-15的两个关键 点，点击按钮“0K”，显示出如图1-16所示的 关键点位置选项对话框。A KDETween opt ions图1-15边缘线上的两个端点1-16相对位置选项对话框在关键点位置选项对

33、话框中，输入RATI = 0.5,点击按钮“0K"。参数RATI的含义是 第一个关键点到新建关键点之间距离和第一个 关键点到第二个关键点之间距离的比值。参数DIST的含义是第一个关键点到新建关键点之间的距离。2）创建三角形面积作为加强支架的侧面。如图1-17所示，在其底棱边中点处新建的关键点kpl,与支架下半部分的顶点kp2> kp3 构成了加强支架侧面的三个顶点。通过三个关键 点建立加强支架的侧面，选择Main Menu >Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > Thro

34、ugh KPs +。图1-17支架侧面的顶点图1-18沿面积法线方向拖动的对话框 显示关键点选择对话框后，依次拾取基座棱边的 中点kpl,支架上下两部分的交点kp2, 支架与整个基座的交点kp3o单击按钮“0K”， 建立加强支架的三角形侧面。3）沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。选择 Main Menu > Preprocessor > Modeling >Operate > Extrude > Areas > Along Normal,显示面积元素选择对话框后拾取前面创建的三 角形面，点击按钮“0K。显示图1-19所示 面积沿法线拖动对话框，输入DIST

35、 = 0. 15,厚度的方向是指向轴承孔中心，点击按钮“0K”。图-19是增加了加强支板后的轴承座的二分 之一模型。注意：三角形面积的法线方向与拾取三个顶点的 次序有关，满足右手法则。图1-19轴承座的二分之一模型K）粘接所有体积元素选择 Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Glue > Volumes,显示 体积元素选择对话框，点击按钮“Pick All”。 七）沿坐标平面镜射生成整个模型.选择 Main Menu > Preprocessor > Modelin

36、g > Reflect > Volumes,显示体积元素选择对话框, 点击按钮“Pick All”。显示如图1-20所示的映射体积元素对话框，“Y -Zplane"，点击按钮 “0K”。八 Reflect VolusesVSIMM Reflect VolumesNcorop Plane of symmetryKINC Keyyin.crementNOELEM Items to be reflectedIMOVE Exi sting volumes will be6planeVolumes wd mesh 二jCopied二JOKCancel图1-20映射体积元素对话框实验

37、2杆件结构有限元分析-、实验目的：学习杆件结构有限元分析，学会不同 受力和不同截面形状的杆件有限元分析二、主要仪器及耗材装有Ansys软件的微机一台三、实验内容与步骤计算分析模型如图1”所示，习题文件名:beam。NOTE:要求选择不同形状的截面分别进行计算。梁承受均布载荷：L0e5Pa10m截面:R=0.1图1/梁的计算分析模型梁截面分别采用以下三种截面（单位：m）：1.匕卬2T言恚，矩形截面： 工字形截面：B=0.l, H=0.15 wl=0.1, w2=0.1, w3=0.2,tl=0.0114t2=0.0114, t3=0.0071进入ANSYS程序 f ANSYSED Interac

38、tive changethe working directory into yours f input Initial jobname: beam-Run 2设置计算类型ANSYS Main Menu: Preferences -selectStructural OK3选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor f Element Type->Add/Edit/Delete. f Add.一 select Beam 2 node 188 OK (back toElement Types window) -Close (the Element Type wind

39、ow) 4定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor f Material Props f Material Models f Structural Linear Elastic Isotropic - input EX:2.1ell, PRXY:0.3 - OK 5定义截面ANSYS Main Menu: Preprocessor Sections-Beam -Common Sectns -分别定义矩形截截面和工字形截面：矩形截®:ID=l,B=0.1, H=0.15Apply截面:ID=2,R=0.1 - Apply f 工字形截面：ID=39wl=0

40、.1, w2=0.19 w3=0.2 , tl=0.0114 , t2=0.0114, t3=0.007 OK6生成几何模型 ,生成特征点ANSYS Main Menu: Preprocessor -Modeling fCreate Keypoints fin Active input:l(0,0),2(10,0),3(5,1) -OKcs依次输入三个点的坐标：,生成梁ANSYS Main Menu: Preprocessor f Modeling -Create - Lines lines - Straight lines f 连接两个特征点，1(0,0)2(10,0) -OK 7网格划分A

41、NSYS Main Menu: Preprocessor - Meshing -Mesh Attributes -Picked lines f OK -选择:SECT:1(根据所计算的梁的截面选 择编号)；Pick Orientation Keypoint:YES拾 取：3#特征点(5,1) f OKMesh Tool Size Controls) lines: Set Pick All(in Picking Menu)- input NDIV:5 f OK (back to Mesh Tool window) - Mesh f Pick All (in Picking Menu) f Clo

42、se (the Mesh Tool window) 8模型施加约束/最左端节点加约束ANSYS Main Menu: Solution f Define Loads f Apply f Structural f Displacement -On Nodes -pick the node at (0,0) OK select UX, UY,UZ,ROTX f OK,最右端节点加约束ANSYS Main Menu: Solution f Define Loads f Apply Structural f Displacement f On Nodes f pick the node at (10,

43、0) f OK select UY,UZ,ROTX OK,施加y方向的载荷ANSYS Main Menu: Solution f Define Loads f Apply f Structural Pressure - On Beams Pick All VALI: 100000 OK9分析计算ANSYS Main Menu: Solution f Solve - Current LS -*OK(to close the solve Current Load Step window) OK 10结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc f Plot Resul

44、ts - Deformed Shape. f select Def + Undeformed f OK (back to Plot Results window) - Contour Plot Nodal Solu f select: DOF solution, UY, Def + Undeformed , Rotation, ROTZ ,Def + Undeformed-OK 1.11退出系统ANSYS Utility Menu: File- Exit Save Every thing f OK 五、数据处理与分析 六、实验注意事项 七、实验报告要求 八、思考题实验三.平面应力问题有限元分析

45、如图所示，使用ANSYS分析平面带孔平板， 分析在均布载荷作用下板内的应力分布。已知条件：长宽均为1m,厚度为5cm,内孔的直径为0.2m o左右两侧均受到均布拉力作用，受到的均布拉力为q =50Mpa。材料的弹性模量为E=2.1*105Mpa屈服极限。s=240Mpa,泊松比为带孔平板模型 建模与分析 一）建立带中心孔方板的计算模型 分析求解对象的几何特征、约束与载荷分布，确 定所求解的对象是否可以简化，并计划好计算模型的约束与加载方式。从两侧受到均布 载荷作用的带中心圆孔方板的变形特征可以知道，在受力后方板在水平方向伸长，在竖直方 向收缩，可以得到如图3-2所示的三种计算模 型。对于整体模

46、型，在左侧边上施加水平方向的位移 约束，在左侧边的中点上同时施加水平 和垂直方向的约束。方板的形状与载荷分布关于 水平方向的中心轴对称，可以得到二分之一 模型，在左侧边加上水平方向的约束，在对称轴 上施加垂直方向的约束。方板的形状与载荷 分布同时也关于垂直方向的中心轴对称，进一步 简化得到四分之一模型，在水平方向的对称 轴上施加垂直位移约束，在垂直方向对称轴上施 加水平位移约束。对比这三个计算模型不难这个模型进行计算。(a)整体模型发现，四分之一模型的计算规模最小，我们选用(b)二分之一模型(c)四分之一模型 图3-2带圆孔方板的计算模型ANSYS软件不要求定义物理量的单位，直接根据数值进行计

47、算，但是用户必须明确输入数据的单 位。常用的单位有国际单位制和英制，在分析实 际工程问题时经常用毫米作为长度单位。在求解 本问题时，我们选择cm做为长度单位，相应地 弹性模量与载荷的单位要作换算。弹性模量取为E=2. l*107N /cm2 ,均布拉力取为q=5000N/ cm2o 二）选择单元类型，定义材料参数 选择 main menu > preprocessor > element type > add/edit/delete,在单元类型选择对话 框中点击Add按钮，弹出如图3-3所示的单元 类型选择对话框。由于是平面应力问题，在左边 下拉框中选择solid,在右边下拉

48、框中选择 quad 4node 42,点击OK退出。我们选择了 42 号单元。图3-3单元类型选择对话框ANSYS提供的用于平面问题结构分析的二维单 元有 PLANE2、PLANE24> PLANE42、PLANE82、PLANE83、 PLANE145、 PLANE146、 PLANE182 和PLANE183o PLANE42是有4个结点的四边形单元，每个结点两个自由度（x、y方向位移）， 可以退化为三角形单元。把方板材料定义为各向同性的弹性材料。选择 main menu > preprocessor > material props > material mode

49、ls,在弹出的材料行为 定义对话框中，在右边的“Material Models Available”下拉框中依次双击structural > linear > elastic > isotropico 在弹出的材 料参数对话框的EX项填入2. Ie7, PRXY中填入 0.3,点击0K 退回到“Define Material Model Behavior"界面。选择 material >exit 退回主 界面。三）建立几何模型 在主菜单面版中点击Preprocessor,进入 ANSYS的前处理模块。这里采用Top Down 方法建立带圆孔方板的四分之一模型，

50、先创建四 分之一方板对应的正方形，再创建四分之一 实心圆，然后从正方形中减去四分之一圆。1）创建正方形板选择 main menu > preprocessor > modeling > create >areas >rectangle > by 2 corners, 创建四分之一方板对应的正方形,边长为50（长 度单位取cm）,把正方形的左下角顶点放置在 坐标原点位置上。2）创建四分之一实心选择mainmenu >preprocessor >modeling >create >areas>circle >partial a

51、nnulus,仓U建四分之一实心圆。注意圆心位置一定要与方板的左下角 位置重合。3）用布尔运算，从方板减去四分之一圆，生成带圆孔的方板。选择 Main Menu: Preprocessor > Modeling > operate >Booleans >subtract >areas, 依次选 择被减的面（方板）、要减去的面（四分之一圆）。四）划分单元网格1）设置划分单元网格的密度选择 Main Menu: Preprocessor > Meshing > Meshtool > (Size Controls:) Lines: Set >选取

52、圆弧 > OK > ( aElement Sizes on PickedLines” 窗口）NDIV: 6 > APPLY > 选取 4 条 直边>OK > （"Element Sizes on Picked Lines”窗口）NDIV: 10 > OK（返【“Mesh Tool" ）在四分之一圆弧上设置6个单元边，在其它4 条直边上都设置10个单元边。2）划分网格回到meshtool对话框，选中shape域中的Tri和Free的情况下点击mesh按钮，在弹出的"mesh areas”对话框中点击pick all按钮,得到

53、三角形单元网格如图3-4。五）施加位移约束条件及外载荷1）在水平方向的对称截面上施加垂直方向的位 移约束。Main Menu: Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Lines >拾取下面的直边OK >（ "Apply U, Rot on Lines” 窗口）Lab2: UY > OK 2）在垂直方向的对称截面上施加水平方向的位 移约束。Main Menu: Preprocessor > Loads >

54、Define Loads > Apply > Structural > Displacement >On Lines >拾取左侧的直边>OK >( “ApplyU, Rot on Lines” 窗口)Lab2: UX > OK3)在右侧截面上定义均布载荷。Main Menu: Preprocessor > Loads >Define Loads > Apply > Structural >Pressure> On Lines >拾取右侧的直边OK >( "Apply PRES on lin

55、es”窗口)Value:-5000 > OK全部边界条件定义后的有限元模型如图3-5所zJn o图3-4四分之一模型的三角形单元网格图3-5定义边界条件后的有限元模型 说明：ANSYS软件允许把约束和载荷定义在几 何实体或单元结点上，定义在几何实体上的约束和载荷自动转换到单元结点上。在定义约束或载荷时，采用一种方法即可。六）求解ANSYS软件求解的对象是当前选择集，为保证能 正确求解，在先计算前执行以下命令， 将求解对象设为全部实体。在这之前的操作有 可能选取了整个有限元模型中的部分单元或节 点,先选择Utility Menu > Select >Everything,选中所

56、有单元和结点，使它们都参与计算。选择 Main Menu: Solution > Solve > Current LS,运行求解器，完成计算。进行计算之前，会进行模型检查并给出相关提 示。先关闭/STATUS Command对话框，在 Solve Current Load Step 对话框中点击 OK 按钮开始计算。七）计算结果分析用图形方式或列表方式显示计算结果，包括结点 的位移、应变和应力，单元的应力、应 变。在本算例中，需要了中心圆孔边的应力集 中情况。按照以下步骤定义一条路径，观察垂 直方向对称轴上正应力。X的分布。1）直接用两个点的位置坐标来定义一条路径。Main men

57、u: General Postproc > Path operations > Define path > by location 在"By Location”对话框中的Name输入框中 输入路径名pathlo在"By Location in Global Cartesian”对话 框中输入参数，先输入第1个点的坐标，NPT 输入1, x、y、z分别为0,10,0,点击0K按 钮。继续输入第2个点的坐标，NPT输入2, X、 y、z分别为0, 50, 0,点击0K按钮，再点击 CANCEL按钮关闭对话框。Main Menu: General Postpro

58、c > Path Operations > plot path 显示定义好的路径。2）将x方向的正应力。x映射到定义好的路径 上。Qlap Result Iteas onto PathPDEF Map Result Item 3 onto PathLab User label for itemItem,Comp Iten to be mapped|DOF solutionStressStr %in total En«ry Straixr elastic Strtin*therm al Striinplastic Strtin-creep StrtirrothtrIn.texisi tySIBTvon MiPluEqv